并網(wǎng)光伏電站優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

鄭柏恒，董雙麗（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 佛山528300）

并網(wǎng)光伏電站優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

鄭柏恒，董雙麗
（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院國家太陽能光伏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,廣東 佛山528300）

隨著太陽能光伏發(fā)電的廣泛應(yīng)用，優(yōu)化光伏電站的設(shè)計(jì)對降低電站投資成本和提高電站收益起到了至關(guān)重要的作用。為此，從光伏電站發(fā)電性能和光伏電站并網(wǎng)兩個(gè)方面進(jìn)行特性分析，歸納了當(dāng)前電站設(shè)計(jì)與建設(shè)中暴露的幾種問題，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，保證光伏發(fā)電能安全可靠地并入電網(wǎng)，確保光伏電站的收益。

太陽能光伏；光伏電站；優(yōu)化設(shè)計(jì)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.015

1 引言

近年來，在國家多方面的扶持下，太陽能光伏發(fā)電發(fā)展迅速。截至2015年底，我國太陽能光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到4158×104kW，同比增長67.3%，約占全球的1/5，超過德國成為世界光伏第一大國。而且在“十三五”規(guī)劃中明確了我國將持續(xù)發(fā)展壯大太陽能光伏發(fā)電市場規(guī)模，初步規(guī)劃“十三五”光伏裝機(jī)規(guī)模目標(biāo)將達(dá)1.5×108kW，即每年新增2000×104kW上下。光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中裝機(jī)容量所占的比例越來越大，它對電力系統(tǒng)的規(guī)劃、仿真、調(diào)度、控制造成的影響也越來越大。

然而，光伏電站具有分布式屋頂?shù)蛪翰⒕W(wǎng)、集中式地面高壓并網(wǎng)等多樣化的搭建模式，且其發(fā)電量受太陽輻照、氣溫等多種因素影響。故近年來的大規(guī)模電站建設(shè)就由于設(shè)計(jì)規(guī)劃等原因，涌現(xiàn)出了電站發(fā)電效率低、輸出電能質(zhì)量差、原電網(wǎng)保護(hù)誤動等問題，造成巨大的安全問題，也無法達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益。因此，并網(wǎng)光伏電站的優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。

本文通過從光伏發(fā)電能力和電站并網(wǎng)兩個(gè)方面，分析光伏電站優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，并結(jié)合實(shí)際案例驗(yàn)證理論分析的正確性和有效性，提高了光伏電站的可靠性和效益，并為后續(xù)更為深入的研究提供借鑒與參考。

2 光伏電站發(fā)電性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

并網(wǎng)光伏電站主要通過光伏組件方陣、匯流箱、逆變器、升壓變壓器以及并網(wǎng)點(diǎn)配電柜等組成[1]。光伏電站系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

圖1 并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)配置圖

2.1 光伏組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1.1 光伏組件的選型

當(dāng)前，并網(wǎng)光伏電站中應(yīng)用的組件主要為單晶硅、多晶硅以及薄膜3種類型的組件。單晶硅、多晶硅以及薄膜3種組件主要區(qū)別在于其轉(zhuǎn)換效率、價(jià)格、重量以及可靠性，如表1所示。其中，單晶硅組件具有較好的轉(zhuǎn)換效率但是價(jià)格較高；多晶硅組件具有不錯(cuò)的性價(jià)比，相比于單晶硅和薄膜更易運(yùn)輸；薄膜組件轉(zhuǎn)換效率較低，由于自身的玻璃結(jié)構(gòu)使其不易運(yùn)輸，但它具有較小的功率溫度系數(shù)，相對于晶硅組件在弱光照下或出現(xiàn)遮擋時(shí)，具有較好的發(fā)電能力。因此，大型地面電站多選擇性價(jià)比較高的多晶硅組件；屋頂分布式電站為有效利用屋頂面積，多選擇轉(zhuǎn)換效率較高的單晶硅組件；光伏一體化電站由于環(huán)境較為復(fù)雜，多采用薄膜組件，既能完全貼合建筑的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，又能減少遮擋等原因帶來的發(fā)電影響。

表1 各類型組件特性

2.1.2 光伏組件的安裝

在整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏組件安裝傾角直接決定了系統(tǒng)接收到的太陽總輻射量，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電能力。光伏組件安裝傾角越高，對后排的遮擋越少，前后排間距越少，從而減少了光伏陣列的占地；但是，光伏組件安裝傾角偏離當(dāng)?shù)鼐S度越大，組件能夠接收到的太陽總輻射量越少，組件發(fā)電量越少。故行業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為光伏組件安裝傾角基本與安裝位置維度一致。但是，通過比較組件支架成本與系統(tǒng)發(fā)電收入后，可以通過適當(dāng)?shù)臏p少組件安裝傾角獲得效益的最大化。

除此之外，光伏組件的安裝方式也對光伏組件發(fā)電性能有著巨大的影響。在環(huán)境陰影、積水、污漬等遮擋條件下，光伏組件輸出特性產(chǎn)生變化，被遮擋部分的電池片處于反向偏置狀態(tài)，成為整個(gè)光伏陣列的負(fù)載，消耗組串產(chǎn)生的電能并發(fā)熱，形成熱斑現(xiàn)象。電池片熱斑會導(dǎo)致該電池片快速的衰減，且當(dāng)溫度過高時(shí)會是組件失效或起火。為避免熱斑的產(chǎn)生，光伏組件通過接線盒里面的旁路二極管將被遮擋的電池片旁路。然而，一般光伏組件將組件上的電池片分成三份，分別旁接了二極管，如圖2所示。因此，會出現(xiàn)未被遮擋到的電池片也被旁路，大幅降低了組件的發(fā)電能力。故很多比較規(guī)則的遮擋，如房屋陰影、污漬、積水等遮擋，可以通過改變組件的橫豎安裝方式，避免陰影遮擋到組件的多路電池片，減少光伏組件發(fā)電能力的損失。

圖2 組件接線盒原理圖

廣西南寧某30MW光伏電站中一期為8MW光伏組件以常規(guī)的豎式安裝在地面支架上，二期為22MW光伏組件以橫式安裝在相同的支架上。分別抽取一期和二期同一型號且其接入容量相同的逆變器同時(shí)進(jìn)行一天的監(jiān)測，其逆變器負(fù)載率如圖3所示。不難看出組件橫式安裝的逆變器較早開始啟動并發(fā)電，較晚停止發(fā)電進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，且同一時(shí)刻負(fù)載率比組件豎式安裝的逆變器要高。組件橫式的安裝實(shí)實(shí)在在地提高了光伏電站的發(fā)電效益。

圖3 組件橫式和豎式安裝的逆變器負(fù)載率曲線圖

2.2 逆變器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 逆變器的選型

目前，光伏電站一般根據(jù)電站規(guī)模、地理環(huán)境等條件，采用集中式和組串式兩種的逆變器。集中式逆變器容量大，性價(jià)比較高，具有較好的可調(diào)度性，但是MPPT數(shù)量較少且需要占用一定的地方用于安裝，多用于大規(guī)模地面電站；組串式逆變器具有較多的MPPT數(shù)量，易于安裝放置，較高的防水等級，但容量較小，成本較高，多用于地形復(fù)雜的分布式電站。

而近年來組件生產(chǎn)技術(shù)不斷成熟，采用規(guī)?；魉€式生產(chǎn)方式使光伏組件在產(chǎn)品質(zhì)量和一致性上得到了有效的控制。但是，要做到百分百的一致性是不可能的，原材料的差異，生產(chǎn)線的不同，會使組件與組件之間存在一些微小的差異。而這些差異會在組件串并聯(lián)起來以后，產(chǎn)生不同程度的串并聯(lián)失配現(xiàn)象。而且電池片旁路雖然避免了熱斑現(xiàn)象的產(chǎn)生，但是被遮擋的組件與其他組件發(fā)電能力的一致性大幅下降，也產(chǎn)生了較大的串聯(lián)和并聯(lián)失配損失[2]。

為減少串聯(lián)、并聯(lián)失配的損失，優(yōu)化光伏電站發(fā)電能力，在逆變器選型時(shí)盡量選擇具有多路MPPT功能的逆變器，并且盡量將同一屋面同一朝向同一型號同一批次的組件接入到同一個(gè)逆變器。

2.2.2 組件與逆變器的容量比

當(dāng)前一般電站設(shè)計(jì)中，光伏組件的安裝容量和逆變器的安裝容量是不一致的。其主要原因是光伏組件存在光致衰減和光伏組件發(fā)電能力隨環(huán)境而定。

由于P型晶體硅電池片經(jīng)過光照出現(xiàn)的衰減以及由于紫外線照射造成的電池片和封裝材料老化出現(xiàn)的衰減，因此，通常光伏組件第一年衰減3%左右，然后，每年遞減不超過0.8%，25年內(nèi)衰減不超過20%。針對這一類型的組件功率衰減，再設(shè)計(jì)上通常通過在逆變器上適當(dāng)增加光伏組件接入的數(shù)量，即適當(dāng)提高組件與逆變器的容量比。

光伏組件標(biāo)稱的發(fā)電功率是在AM1.5、1000W/m2、25℃條件下的最大發(fā)電功率，而光伏電站現(xiàn)場環(huán)境根據(jù)所處地理位置而改變，如：在新疆、青海等地區(qū)大部分時(shí)間輻照值能達(dá)到1200W/m2以上，組件實(shí)際發(fā)電功率高于其標(biāo)稱值，故可以適當(dāng)降低組件與逆變器的容量比；在廣東、廣西等地區(qū)大部分時(shí)間輻照值在800～1000輻照值，組件實(shí)際發(fā)電功率稍低于標(biāo)稱值，故可以稍微提高組件與逆變器的容量比。

2.2.3 逆變器擴(kuò)展功能

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)前逆變器不僅起到了直流與交流之間的轉(zhuǎn)換，而且為了提高可靠性與安全性提供了各種保護(hù)裝置，如：過載保護(hù)裝置、PID防治裝置等。其中，PID，電勢誘導(dǎo)衰減，是電池組件長期處于一定的偏置電位，并且在高溫高濕環(huán)境下誘發(fā)的發(fā)電性能衰減現(xiàn)象。故在廣東等濕熱地區(qū)，多選用具有PID抑制裝置的逆變器。

3 光伏電站系統(tǒng)并網(wǎng)分析

3.1 對并網(wǎng)點(diǎn)頻率的影響

由于天氣等環(huán)境影響，光伏發(fā)電出力隨機(jī)、頻繁、大幅地波動。這對電網(wǎng)系統(tǒng)有功平衡造成沖擊，影響系統(tǒng)的調(diào)頻，使電網(wǎng)頻率質(zhì)量下降[3]。故需要大量的修改電網(wǎng)系統(tǒng)的備用優(yōu)化設(shè)備，但是也大大的提高了成本。因此，在光伏電站選址設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先選用工廠等用電大戶附近的地段，盡量使光伏發(fā)電就地消化，既削弱了對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，又減少了輸電送電的成本。

3.2 對并網(wǎng)點(diǎn)電壓的影響

光伏發(fā)電隨機(jī)波動的有功出力會影響到電網(wǎng)的無功平衡特性，使周邊母線電壓大幅波動[4]。

對于大規(guī)模光伏集中式接入電網(wǎng)而言，大量的光伏電力需要通過高壓遠(yuǎn)距離外送。高壓輸電線路由于光伏發(fā)電隨機(jī)波動的有功出力，改變了沿途無功平衡，使沿途母線電壓大幅波動，容易發(fā)生電壓越限等問題。

對于規(guī)模化光伏分布式接入配電網(wǎng)而言，光伏發(fā)電的接入改變了電網(wǎng)原有的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由單電源結(jié)構(gòu)變成了多電源結(jié)構(gòu)，使電網(wǎng)潮流更為復(fù)雜，增加了調(diào)度的難度。

海南?？谀澄蓓敼夥娬?，由于電站建設(shè)在工業(yè)區(qū)水泥屋頂，區(qū)域內(nèi)用電負(fù)載較多，而且由于當(dāng)?shù)毓╇娋嚯x較長，供電電壓普遍偏低，因此多次使光伏電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓超限，使二次側(cè)保護(hù)動作，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響了工業(yè)廠區(qū)配電網(wǎng)的安全。為此與當(dāng)?shù)毓╇娋謪f(xié)商，通過調(diào)度供電線路環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，減少該并網(wǎng)點(diǎn)原供電距離后，情況得以改善。

因此，光伏電站接入位置、接入規(guī)模的設(shè)計(jì)十分重要。正確的接入位置與接入規(guī)模能盡量使光伏發(fā)電就地消費(fèi)，不僅降低了對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響，還能分擔(dān)電網(wǎng)用電的壓力。

3.3 對并網(wǎng)點(diǎn)諧波的影響

光伏發(fā)電產(chǎn)生諧波的主要源頭有三個(gè)：（1）逆變器逆變電路開關(guān)切換產(chǎn)生頻率附近的諧波；（2）太陽輻照劇烈變化或過低時(shí)光伏發(fā)電產(chǎn)生的諧波；（3）逆變器MPPT跟蹤下電壓電流變化產(chǎn)生的諧波。相對于較大容量的電力系統(tǒng)，小容量系統(tǒng)更為容易受到諧波的污染，導(dǎo)致電力線路損耗大增，危害用電設(shè)備的安全，輕則縮短設(shè)備壽命，重則損壞設(shè)備[5]。

針對光伏電站諧波問題，目前，主要的方法是裝設(shè)動態(tài)響應(yīng)的無功補(bǔ)償裝置，如：電力濾波裝置、靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）、靜止無功發(fā)生裝置（SVG）等。然而，這些裝置雖然維持了電壓的穩(wěn)定，改善了系統(tǒng)諧波狀況，但是，也增加了項(xiàng)目的成本。因此，合理的設(shè)計(jì)光伏發(fā)電的接入位置、接入規(guī)模，選擇電能質(zhì)量較好的分布式電源接入點(diǎn)（PCC），提前規(guī)避產(chǎn)生諧波超限的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 配電系統(tǒng)改造

光伏的穿透率定義為光伏發(fā)電量占整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)總發(fā)電量的百分比[6]。過高的光伏穿透率會引起饋線的逆向潮流以及母線電壓的升高，母線故障電流大小、方向及持續(xù)時(shí)間均發(fā)生變化，原有饋線保護(hù)將受到影響，保護(hù)裝置可能出現(xiàn)誤動或拒動[7]。為此，將需要對原有的配電系統(tǒng)進(jìn)行改造，但是為了節(jié)省成本，目前大部分的方案是在饋線上加裝防逆流裝置，以犧牲部分光伏發(fā)電量為代價(jià)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

廣東佛山市某15.2MW屋頂光伏電站，經(jīng)過當(dāng)?shù)毓╇娋謱徍撕螅?jì)劃通過7個(gè)并網(wǎng)點(diǎn)并入7路10kV輸電線路。然而，該電站并網(wǎng)試運(yùn)行后，業(yè)主廠區(qū)電力監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)生功率因數(shù)報(bào)警。經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)檢查后發(fā)現(xiàn)原因?yàn)樵撾娬酒街脗}庫子系統(tǒng)發(fā)電量遠(yuǎn)大于用電量，使并網(wǎng)點(diǎn)母線產(chǎn)生了逆流，故造成原有的配電系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警。為保證整個(gè)廠區(qū)用電安全，只能犧牲該子系統(tǒng)的發(fā)電效益，在該母線的饋線上加裝防逆流裝置。

因此，光伏電站接入位置、接入規(guī)模的設(shè)計(jì)還需要對接入點(diǎn)原有配電系統(tǒng)進(jìn)行分析評估，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語

隨著分布式發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛，作為其中的太陽能光伏發(fā)電在現(xiàn)代發(fā)電系統(tǒng)中的地位也越來越重要。本文既分析了光伏電站組件、逆變器兩種關(guān)鍵設(shè)備的特性，又分析了光伏電站并網(wǎng)的特性，歸納了當(dāng)前電站設(shè)計(jì)與建設(shè)中暴露的幾種問題，并且，針對這些危害提出了相應(yīng)的改善措施和建議，為太陽能光伏發(fā)電電站的設(shè)計(jì)與建設(shè)提供指導(dǎo)，為有效地提高光伏電站的效益和供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性做出貢獻(xiàn)。

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Research on Optimized Design of Grid-connected PV System

ZHENGBo-heng，DONGShuang-li
(GuangdongTestingInstituteofProductQualitySupervisionNationalCenterofSupervisionandInspectiononSolarPhotovoltaic ProductsQuality,Foshan528300,China)

By widely application of Solar photovoltaic，the optimized design of PV system is important to reducing the cost ofinvestment and enhance efficiency.Therefore，according to the features of PV system generating capacity and grid connection, someoptimal schemes are proposed to solve the problems in the design and construction of PVsystem,Which can ensure PVsystem safelyoperatingandguaranteedrevenue.

solarphotovoltaic;photovoltaicpower stations;optimizeddesign

TM615+.2

A

1007-9467（2016）12-0066-04

2016-08-18

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016A040403070）

鄭柏恒（1990～），男，廣東佛山人，工程師，從事光伏產(chǎn)品、分布式發(fā)電系統(tǒng)的檢測和科研工作。